蒸汽發生器一次側流阻數值模擬研究

李磊等

【摘 要】采用CFD的方法，分別采用k-ε湍流模型和SST湍流模型對蒸汽發生器一次側流動阻力進行數值模擬，獲得了蒸汽發生器一次側入口段、U形管段及出口段的壓降，并將CFD計算結果與按經驗公式計算結果進行對比分析，提出了對經驗公式修正建議。

【關鍵詞】蒸汽發生器；一次側流動阻力；數值模擬

0 前言

蒸汽發生器是壓水堆核電站的關鍵設備，是核電廠一、二次側的重要樞紐。在壓水堆核電廠中蒸汽發生器一次側阻力約占反應堆冷卻劑系統總流動阻力的40%左右[1]，因此，準確的計算蒸汽發生器一次側阻力對反應堆冷卻劑系統的水力計算和系統布置具有重要意義。

在蒸汽發生器的工程設計中，通常采用專用熱工水力程序進行蒸汽發生器的水力計算，如嶺澳核電站55/19型蒸汽發生器采用GVSPA程序進行蒸汽發生器一次側流阻計算，秦山二期核電站60F蒸汽發生器采用GENF程序進行一次側流阻計算。在上述專用程序中，流動阻力采用經驗公式計算，利用經驗公式手冊查得對應結構的流動阻力關系式，通過簡化完成壓降計算。這種計算方法需對應于特定結構，針對性較強。目前隨著CFD技術的成熟，有學者采用CFD手段開展了蒸汽發生器一次側流動特性研究[2]。

本文針對AP1000核電站蒸汽發生器的結構特點，采用經驗公式方法和CFD方法對蒸汽發生器一次側流阻進行了計算，并對兩種方法的計算結果進行了分析和討論。

1 經驗公式法計算

針對AP1000蒸汽發生器的結構特點，蒸汽發生器一次側流動阻力可分為5個部分進行計算，如圖1所示。其中包括一次側入口接管突擴局部阻力K1、一次側出口接管突縮局部阻力K5、傳熱管入口突縮局部阻力K2、傳熱管出口突擴局部阻力K4和傳熱管阻力K3。

蒸汽發生器流阻計算相關參數可由蒸汽發生器穩態熱工水力計算獲得。

采用經驗公式計算時，選用不同的摩擦阻力系數計算公式，摩擦阻力系數略有差別，但最大差值為3.1%，在工程計算誤差可接受范圍內。

2 數值模擬計算

2.1 幾何模型

由于蒸汽發生器傳熱管數量眾多，且傳熱管長度較長，橫向和縱向尺度差別大，如果對蒸汽發生器一次側整體進行數值模擬，則會由于網格數目過于巨大，難以實現，因此本文將蒸汽發生器分為進口部分、傳熱管部分和出口部分，分別進行模擬，最后將結果相加獲得總壓降。

圖2為進口部分流體區域，與進口部分相連接的傳熱管截取高度為150mm，內徑為15.4mm，這樣高度大約為內徑的10倍，可以保證流體充分發展而不受進口條件的影響。出口部分流體域的確定采用類似方法，傳熱管截取高度為150mm。

2.2 網格劃分

本文利用Ansys中的ICEM CFD進行網格劃分，對于變徑面以及弧面進行了局部網格加密，對于管束區的網格通過網格拉伸完成，對和流體流向不垂直的壁面添加了附面層網格。進口部分總網格數為4986萬，出口部分總網格數為2400萬。

工程實際中傳熱管的數量巨大，難以按照實際情況進行模擬，傳熱管沿程壓降利用最短一根傳熱管和最長的一根傳熱管進行數值模擬，通過求取二者壓降的平均值作為U型傳熱管的壓降損失。最短的U型管的網格總數為274300，最長的U型管的網格總數為386960。

2.3 邊界條件

蒸汽發生器發生器一次側進口部分水的溫度和壓力基本相同，且下封頭不存在熱交換，因此可采用絕熱模型，流體區域內水的物性參數根據進口部分水的物性參數確定。進口流速為v=23m/s，溫度T=321℃。

蒸汽發生器發生器一次側出口部分同樣可采用絕熱模型，流體區域內水的物性參數根據出口處水的物性參數確定。

蒸汽發生器傳熱管需要與二次側進行熱交換，U形換熱管數量巨大，導致換熱量較大，但是單根傳熱管內冷卻劑的溫度并沒有發生很大改變，因此傳熱管內冷卻劑的物性參數根據進出口處水的平均溫度給定，根據傳熱管內平均流速給定入口流速。

2.4 計算模型

本文將蒸汽發生器一次側分為3部分進行數值模擬，單獨考慮進口部分或出口部分，流體溫差不大，且為單相液體流，水的密度近似為常數。因此，蒸汽發生器一次各部分側流場可視為三維定常不可壓粘性等溫流場。湍流模型分別選用k-ε湍流和SST湍流模型。本計算中的壓力為相對壓力。

2.5 計算結果及分析

2.5.1 局部流動特性

從計算結果發現，采用k-ε和SST這兩種湍流模型對計算結果影響不大，兩種計算模型的總壓降差值僅約為3.2%，屬于工程計算誤差可接受范圍，下文以k-ε模型的結果為例進行說明。

蒸汽發生器一次側進口部分總壓力分布和速度矢量圖如圖3和圖4所示。由圖3的進口總壓力分布可以看出下封頭的進口接管至傳熱管的壓降較大，說明進口部分阻力較大。

蒸汽發生器一次側出口部分總壓力分布如圖5所示。由圖5可以看出傳熱管至下封頭的出口接管的壓降不是很大，說明出口部分阻力很小。

2.5.2 傳熱管流動特性

因為傳熱管束長短不一，由于條件所限，無法對傳熱管全部進行模擬，本文根據傳熱管內平均流速給定入口流速。分別對最短的和最長的傳熱管進行了數值模擬，并將二者的模擬結果取平均值作為傳熱管的壓降。

3 結果分析

3.1 阻力分布

采用經驗公式法和CFD方法計算得出的蒸汽發生器一次側各部分阻力占總流阻的百分比如圖6和圖7所示。從圖中可知，蒸汽發生器一次側阻力主要是傳熱管的沿程阻力，約占蒸汽發生器一次側阻力的65%（CFD方法）和51.1%（經驗公式法），這是因為傳熱管長度較長，導致沿程阻力較大；其次是進口部分的阻力，占一次側阻力的31%（CFD方法）和37.3%（經驗公式法）；出口部分的阻力相對較低，僅占一次側阻力的4%（CFD方法）和9%（經驗公式法）。

蒸汽發生器一次側進口阻力大于蒸汽發生器一次側出口阻力，這是因為蒸汽發生器一次側進口流速較大，且突擴結構的局部阻力系數相比突縮結構的局部阻力系數大。

3.2 兩種方法阻力計算結果的比較及分析

CFD方法和經驗公式法計算的蒸汽發生器一次側各部分壓降對比如圖8所示，其中ΔP1為CFD方法計算壓降平均值，ΔP2為經驗公式法計算的壓降。由圖可知，采用CFD方法計算的傳熱管壓降和采用經驗公式計算的傳熱管壓降計算結果非常接近，差值約為4%。說明本文在傳熱管流阻數值模擬時，采用的方法是可靠的。

對于蒸汽發生器進口部分及出口部分的壓降，采用CFD方法的計算結果和采用經驗公式法的計算結果相差較大。采用CFD方法計算的進口部分壓降為經驗公式法計算結果的61%，采用CFD方法計算的出口部分壓降為經驗公式法計算結果的29%，其原因分析如下：

1）經驗公式法中，計算進口部分和出口部分的阻力系數時，采用的是突擴和突縮結構的阻力系數計算公式，該計算公式是基于狹窄管道截面上流體速度均勻分布和湍流的情況下得出的，該局部阻力系數取決于窄面積與寬面積的比值。蒸汽發生器的進、出口均位于球封頭上，因此并不屬于典型的突擴、突縮結構。典型的突擴和突縮結構在流動面積變化處均形成強烈漩渦，正是這種漩渦存在導致能量耗散從而產生壓降。從蒸汽發生器進口和出口部分流場可知，在進口和出口處未存在強烈旋渦。

2）對于蒸汽發生器出口部分，由于存在兩個出口，在經驗公式計算中，采用的是等效截面積方法按突縮結構計算局部阻力系數。這種處理方法導致使用經驗公式計算的出口部分壓降計算結果與CFD方法計算結果存在較大差別。

總體來說，采用經驗公式計算蒸汽發生器進、出口部分阻力是一種偏保守的方法。對于蒸汽發生器進、出口這種特定結構的局部阻力系數，目前無特定的經驗公式可用，因此，可在突擴和突縮結構阻力系數計算公式的基礎上進行必要的修正，以適應蒸汽發生器進口和出口的特定結構。

4 結論

1）分別采用經驗公式法和CFD方法對蒸汽發生器一次側阻力進行計算，其中傳熱管沿程阻力占一次側阻力的主要部分。

2）采用CFD方法計算阻力時，采用不同湍流模型對計算結果影響較小。

3）CFD方法模擬傳熱管壓降與經驗公式法計算結果吻合良好。

4）采用經驗公式方法計算進出口阻力與CFD方法計算結果差別較大，在使用經驗公式計算蒸汽發生器進出口阻力時，應進行必要修正，修正系數的確定可根據CFD模擬結果并結合實測結果確定。

【參考文獻】

[1]丁訓慎.立式蒸汽發生器一次側水阻力計算[J].核電工程與技術，2003，6（2）：16-21.

[2]張勇，宋曉明，黃偉.低流量下蒸汽發生器一次側流量分配研究[J].核動力工程，2009，30（5）：56-64.

[3]華紹曾，楊學寧，李世鐸.實用流體阻力手冊[M].國防工業出版社，1985.

[4]錢頌文.換熱器設計手冊[M].化學工業出版社，2002.

[5]蒸汽發生器編寫組.蒸汽發生器[M].原子能出版社，1982.

[責任編輯：劉展]